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(北京華建網(wǎng)源電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 102200)
近年來空氣污染越來越受到人們的重視,空氣中NOx的危害很大, 包括對(duì)人體的健康危害[1]。大氣中的NOx來源于兩個(gè)方面:一類是來自于火山噴發(fā)和雷電等的自然源,是大氣污染的主要污染源之一,一類是由人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的[2]。目前我國(guó)氮氧化物排放量的67%來自于燃煤,發(fā)改委能源研究所公布的一項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示,全國(guó)55%的煤炭用于燃煤發(fā)電,其余主要為工業(yè)鍋爐,工業(yè)鍋爐排放的煙塵占全國(guó)總排放量的22.2%[3]。中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)脫硫脫硝委員會(huì),在脫硫脫硝行業(yè)2015年發(fā)展綜述中提到,污染最嚴(yán)重的中小型鍋爐消費(fèi)了25%的煤炭,其大氣污染物排放占比卻高達(dá)60%[4]。可見中小型鍋爐的影響不覷。2012年1月1日國(guó)家頒布執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011),新建電廠從發(fā)布之日?qǐng)?zhí)行,現(xiàn)有燃煤機(jī)組自2014年7月1日期執(zhí)行,氮氧化物排放限值為100 mg/m3。2012年10月,國(guó)家發(fā)改委等部委聯(lián)合印發(fā)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》,包括京津冀等地區(qū),要求到2015年,氮氧化物下降13%。2014年11月,國(guó)家發(fā)改委、工信部等7部委聯(lián)合印發(fā)了《燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實(shí)施方案》,到2017年,天津市、河北省地級(jí)及以上城市基本淘汰35 t/h及以下燃煤鍋爐。
NOx的控制要從燃料生命周期的三個(gè)階段,即燃燒前、燃燒中和燃燒后入手。燃燒前脫氮、燃燒中采用低氮氧化物燃燒方法、燃燒后使用煙氣脫硝技術(shù)。燃燒前脫氮,選用含氮量低的燃料,如用液態(tài)燃料或者煤氣替代煤,或者用加氫脫硝、洗選等技術(shù)降低煤中氮的含量,從源頭上控制氮氧化物的發(fā)生量,為后續(xù)排放減輕壓力[5],由于我國(guó)現(xiàn)有的煤炭資源,滿足不了鍋爐燃燒前的選用,以及進(jìn)行氣化等的需求,因此燃燒前脫硝的研究很少,幾乎所有的研究都集中在燃燒中和燃燒后的NOx控制上。國(guó)際上將燃燒中NOx的控制措施統(tǒng)稱為一次措施,而將燃燒后的NOx控制措施統(tǒng)稱為二次措施,又稱作煙氣脫硝技術(shù)[6]
火電廠的主流脫銷方法是低氮燃燒,為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),采用了多種技術(shù)。電站鍋爐采用濃淡燃燒器及空氣分級(jí)燃燒技術(shù)可以滿足較低的NOx排放要求,但鍋爐主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)比會(huì)小很多,煤粉的著火會(huì)在缺氧氣氛下進(jìn)行,這利于抑制NOx的生成,但會(huì)造成燃燒效率的下降[7],影響空氣分級(jí)技術(shù)。深入研究層燃工業(yè)鍋爐低氮燃燒控制技術(shù),經(jīng)濟(jì)有效地降低其NOx排放,是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段層燃工業(yè)鍋爐達(dá)標(biāo)排放的需要[8]。氮氧化物減排的主要因素有燃料氮含量、孔隙結(jié)構(gòu)、還原區(qū)化學(xué)當(dāng)量以及停留時(shí)間等。在空氣分級(jí)情況下,隨著燃料氮含量的增加,氮氧化物的還原率會(huì)增加。同時(shí),氮氧化物還原率還會(huì)隨著還原區(qū)停留時(shí)間的延長(zhǎng)及化學(xué)當(dāng)量比的降低而增加。在不分級(jí)的情況下,燃料氮的含量越高,燃料型NOx的排放越高。燃料氮的含量對(duì)空氣分級(jí)氮氧化物的減排至關(guān)重要[9-10]。
低過量空氣技術(shù),NOx主要是由于爐內(nèi)的空氣量不斷增加而產(chǎn)生的,根據(jù)這一特點(diǎn),在鍋爐內(nèi)采用低空氣過量系數(shù)運(yùn)行,不僅有效降低NOx的產(chǎn)生量,而且,也降低了鍋爐內(nèi)熱造成的損失,提高鍋爐熱效率。但是這種方式有可能導(dǎo)致CO、碳?xì)浠衔锖吞亢谖廴疚锏脑黾?,從而降低燃燒效率[11]。
煙氣再循環(huán)利用技術(shù),是減少NOx生成的有效方法。原理是將部分冷卻的煙氣循環(huán)利用,再次送入到燃燒區(qū),降低了O2濃度,提高主燃區(qū)的溫度,達(dá)到降低NO生成,同時(shí)提高熱效率,煙氣循環(huán)率一般在5%~20%之內(nèi)較為合適,此時(shí)減少NOx生成的效果最好[11]。
煙氣脫硝屬于燃燒后NOx的處理技術(shù),方法較多,按工藝可分為濕法脫硝和干法脫硝。主要包括:酸吸收法、堿吸收法、選擇性催化還原法、非選擇性催化還原法、吸附法、離子體活化法等,目前得到大量工業(yè)應(yīng)用的選擇性催化還原法(SCR法)和選擇性非催化還原法(SNCR法),黃文靜研究了全負(fù)荷SCR脫硝控制[12]。
1.2.1 SCR法和SNCR法
選擇性催化還原法,它是NH3在一定的溫度和催化劑作用下有選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2。選擇性催化還原法運(yùn)行中的主要問題是它的催化劑及氨的逃逸問題,催化劑涉及運(yùn)行的穩(wěn)定性和脫除效果,同時(shí)催化劑品種的選擇和布置方式與煙氣脫硝的運(yùn)行費(fèi)用直接相關(guān)。脫硝系統(tǒng)氨的逃逸影響脫硝效果,加劇管道的腐蝕、結(jié)垢和二次污染[12]。選擇性非催化還原法SNCR工藝最初由美國(guó)的一家公司發(fā)明并于1974年在日本的工業(yè)中得到應(yīng)用,在沒有催化劑的情況下可以在800~1100℃范圍內(nèi)反應(yīng),而且基本上不與O2作用。SNCR可能出現(xiàn)的問題是氨泄漏和有害副產(chǎn)物N2O的產(chǎn)生,當(dāng)采用尿素作還原劑時(shí)還可能產(chǎn)生CO二次污染等問題。SNCR與SCR相比運(yùn)行費(fèi)用低,舊設(shè)備改造少,尤其適合于改造機(jī)組[13]。
1.2.2 SCR/SNCR聯(lián)合技術(shù)
鍋爐上裝設(shè)了SNCR脫硝系統(tǒng),在爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口1 000~11 50℃煙氣溫度區(qū)域,分四層布置了墻式尿素溶液噴射器。鍋爐尾部煙道加裝脫硝系統(tǒng),反應(yīng)器設(shè)置在上級(jí)省煤器出口,利用煙氣中原有的和在催化劑層中進(jìn)行反應(yīng);整套脫銷系統(tǒng)包括反應(yīng)器、聲波吹灰系統(tǒng)及煙氣檢測(cè)裝置[14]。
1.2.3 液體吸收法
液體吸收法主要是利用混合氣體中不同的組分,溶液中溶解度的不同,利用吸收劑除去目標(biāo)氣體?;蚴亲屛談┡c目標(biāo)氣體發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng),將氣體從混合氣體中分離,從而達(dá)到去除的目的。吸收法究其本質(zhì),是通過物理或化學(xué)作用,使物質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移到液相的過程。
1.2.4 煙氣除塵技術(shù)
袋式除塵器是含塵氣體通過過濾材料將煙(粉)塵分離捕集的裝置,屬于高效干式除塵裝置。袋式除塵器將最初黏附在表面的粉塵層作為濾層,將含塵氣體中煙(粉)塵粒子去除。近年來,隨著濾袋形狀,濾布耐溫度、耐腐蝕和清灰技術(shù)等方面的不斷改進(jìn),在鍋爐煙氣凈化方面得到廣泛應(yīng)用[15]。
電除塵技術(shù)是在正負(fù)電極板間施加高壓電場(chǎng)使空氣電離,煙塵吸附帶電粒子后經(jīng)電場(chǎng)力作用沉積在集塵極上,粉塵通過機(jī)械振動(dòng)掉入灰斗而被收集,適合大型電站鍋爐使用。
1.2.5 低氮燃燒與SNCR組合技術(shù)
在陜西省榆林市某蘭炭有限公司利用煉焦生產(chǎn)的剩余荒煤氣發(fā)電項(xiàng)目中采用了低氮燃燒與SNCR組合技術(shù)。低氮燃燒改造措施有更換低氮燃燒器、重新設(shè)置燃料風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線[16]。SNCR工藝的系統(tǒng)組成是還原劑儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng),計(jì)量混合分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、電氣、控制系統(tǒng)等[17]。
綜合評(píng)價(jià)是指按確定的目的,通過選定的若干指標(biāo),對(duì)研究對(duì)象功能的量化描述。綜合評(píng)價(jià)包含兩個(gè)要素:指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。
為了描述評(píng)價(jià)對(duì)象,需要若干個(gè)指標(biāo)作為基礎(chǔ)和依據(jù),這些指標(biāo)共同構(gòu)成指標(biāo)體系,指標(biāo)體系具有層次性和多樣性。構(gòu)建指標(biāo)體系應(yīng)遵循的原則:(1)系統(tǒng)性,選取的指標(biāo)應(yīng)能較全面的反映評(píng)價(jià)對(duì)象;(2)相互獨(dú)立性,各指標(biāo)應(yīng)簡(jiǎn)明扼要,互不影響,保證體系結(jié)構(gòu)分明;(3)可比、可量化性,指標(biāo)應(yīng)便于收集,可通過定量化操作進(jìn)行不同對(duì)象間的比較;(4)科學(xué)性,指標(biāo)選擇應(yīng)具有代表性,層次性,數(shù)量不宜過多,能真實(shí)反映現(xiàn)狀,不宜照搬照抄[18]。
(1)多屬性決策,在存在多個(gè)準(zhǔn)則并且這些準(zhǔn)則不能互相替代的復(fù)雜情況下進(jìn)行準(zhǔn)則決策,由多目標(biāo)和多屬性兩個(gè)決策部分組成[19]。選擇和評(píng)價(jià)問題使用多屬性決策方法,設(shè)計(jì)問題則使用多目標(biāo)決策方法。多屬性決策是指在一定數(shù)量的備選方案上進(jìn)行偏好決策,如選擇、排序和評(píng)價(jià)等。它是多準(zhǔn)則決策的一個(gè)重要組成部分[2]。
(2)層次分析法是將復(fù)雜問題分解出層次并對(duì)層次結(jié)構(gòu)加以分析判斷。根據(jù)性質(zhì)將問題分解成不同指標(biāo),每一個(gè)指標(biāo)都要表達(dá)出目標(biāo)某一方面的特點(diǎn),評(píng)價(jià)指標(biāo)要具有代表性[20];再依據(jù)各指標(biāo)間的關(guān)系按層次組合,進(jìn)而形成層次分析結(jié)構(gòu),確定最低層對(duì)于最高層的權(quán)重。權(quán)重反映一個(gè)目標(biāo)在整個(gè)目標(biāo)體系中的相對(duì)重要程度,這種重要性在很大程度上取決于人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)水平和人們所追求的目標(biāo)[21];確定權(quán)重后通過計(jì)算進(jìn)行排序,最終得以評(píng)價(jià)問題。
(3)模糊綜合評(píng)價(jià)法是在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上,進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法,該評(píng)價(jià)方法采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度的原則,將定性指標(biāo)定量化處理,即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰,系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn),能較好地解決模糊的、難以量化的問題,適合各種非確定性問題的解決[18]。
研究煙氣脫硝技術(shù)的評(píng)價(jià)是在大量借鑒已有煙氣脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。煙氣脫硫應(yīng)用在國(guó)外電廠上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系主要有:
(1)IEA評(píng)價(jià)體系[22]。該體系有詳細(xì)的評(píng)價(jià)指標(biāo),包括實(shí)際運(yùn)行效率、技術(shù)的操作性、立法要求、技術(shù)的實(shí)用性和可靠性、運(yùn)行費(fèi)用以及基建投資。
(2)DOE清潔煤技術(shù)評(píng)價(jià)體系[23]。該體系中主要指標(biāo)有環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)、技術(shù)評(píng)級(jí)指標(biāo)、適應(yīng)性評(píng)價(jià)以及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體的包括脫硫后SO2的排放量、技術(shù)的成熟度、在新建和改建中的應(yīng)用、對(duì)不同煤種的適用、對(duì)不同煤特性的適應(yīng)、對(duì)能源生產(chǎn)部門和消費(fèi)部門的影響以及費(fèi)用。
(3)EPRI評(píng)價(jià)體系[24]。該評(píng)價(jià)體系中包括了定量和定性指標(biāo),主要的指標(biāo)有定量的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)、定性技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和定性的商業(yè)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。
目前我國(guó)主要煙氣脫硫技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系應(yīng)用多的是杭州環(huán)境保護(hù)研究所[25]。指標(biāo)包括了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用、工藝成熟度、工藝性能和工藝可靠程度四大類指標(biāo)。運(yùn)行費(fèi)用和投資花費(fèi)的大小構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用指標(biāo);實(shí)驗(yàn)階段、工業(yè)示范、商業(yè)化的定義表示了工藝成熟度;去除率、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、是否需要預(yù)熱是技術(shù)性能主要組成;故障易發(fā)率、設(shè)備危害影響大小、工藝操作復(fù)雜度、運(yùn)行壽命是可靠程度主要指標(biāo)。
根據(jù)京津冀地區(qū)現(xiàn)有的某臺(tái)已完成改造的,達(dá)到GB13271-2014大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)的鍋爐為例。選取以下工藝進(jìn)行評(píng)估:SCR、SNCR、液體吸附法、SCR/SNCR聯(lián)合技術(shù)、低氮燃燒、液體吸附法、低氮燃燒與SNCR組合技術(shù)。
根據(jù)基本原則,查閱相關(guān)文獻(xiàn),引用余飛翔[27]指標(biāo)體系,一級(jí)指標(biāo):技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)境特性;二級(jí)指標(biāo):技術(shù)成熟度、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定程度、系統(tǒng)可升級(jí)性能、負(fù)面影響、占地面積、建設(shè)投資、副產(chǎn)物效益、單位去除成本、去除效率、二次污染。如圖1所示。
圖1 工業(yè)鍋爐煙氣污染控制技術(shù)指標(biāo)體系
兩兩比較判斷矩陣是以上層指標(biāo)作準(zhǔn)則將下一層指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較,通過它的使用能得到各指標(biāo)之間量化的比較結(jié)果。
通過專家調(diào)查,鑒于全國(guó)工業(yè)鍋爐脫硝脫硫除塵技術(shù)基本同步,這里直接引用余飛翔的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果[26],確定一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。
根據(jù)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重可以看出,經(jīng)濟(jì)性是中小型鍋爐最重要的指標(biāo),但是隨著鍋爐容量的增加,技術(shù)性能和環(huán)境特性重要性增加,經(jīng)濟(jì)性重要性下降。在同一一級(jí)指標(biāo)中,各二級(jí)性能指標(biāo)權(quán)重接近,則重要性相當(dāng)。
結(jié)合調(diào)研所得數(shù)據(jù)和技術(shù)人員的建議及文獻(xiàn)[27],得到脫硝技術(shù)各指標(biāo)評(píng)價(jià)情況,如表1。表中各字母代表脫硝工藝(a.SCR;b.SNCR;c.SCR/SNCR聯(lián)合技術(shù);d.低氮燃燒;e.液體吸附法;f.低氮燃燒與SNCR組合技術(shù))表中數(shù)字代表1技術(shù)成熟度;2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定程度;3系統(tǒng)可升級(jí)性能;4負(fù)面影響;5占地面積;6建設(shè)投資單位;7單位污染物脫除成本;8單位脫除成本;9脫除率;10二次泄漏(氨)。
表1脫硝技術(shù)各指標(biāo)分析
指標(biāo)abcdef14.824.373.813.773.123.5124.334.083.922.512.323.0133.713.223.673.662.23.2143.63.53.713.672.63.2150.10.50.310.50.56113628733807178.6010.908.0007.52.480.0150.0080.00870.00760.00690.005598545804050601051080010
采用直觀簡(jiǎn)單的隸屬函數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理。得到脫硝技術(shù)各指標(biāo)隸屬度,如表2所示。表中的字母代表的含義同表1,數(shù)字的含義如下:1技術(shù)成熟度;2系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定程度;3系統(tǒng)可升級(jí)性能;4負(fù)面影響;5占地面積;6建設(shè)投資;7單位污染物脫除成本;8單位脫除成本;9脫除率;10二次泄漏
表2脫硝技術(shù)各指標(biāo)隸屬度
指標(biāo)abcdef10.960.870.760.750.620.720.870.820.780.550.660.530.740.640.730.730.440.6440.720.70.740.730.520.6450.10.50.310.50.560.320.660.520.820.560.6170.280.090.3310.380.880.470.820.470.990.570.6190.810.310.750.250.380.5100.670.330.47110.33
技術(shù)性能評(píng)價(jià)
B1 =W1·R1
=[0.203 3,0.260 1,0.160 2,0.202 4,0.170 4]
=[0.702 8,0.719 8,0.675 6,0.717 9,0.548 1,0.589 5]
經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)
=[0.345 5,0.513 3,0.426 3,0.901 9,0.487 7,0.646 6]
環(huán)境特性評(píng)價(jià)
B3=W3·R3=[0.447 1,0.552 9]
=[0.728 0,0.321 0,0.595 1,0.664 7,0.722 8,0.406 0]
脫硝技術(shù)綜合評(píng)價(jià):
當(dāng)鍋爐容量為<10 t/h
B=W·[B1;B2;B3]=[0.33,0.48,0.19]
=[0.536 0,0.544 9,0.540 6,0.796 1,0.552 3,0.582 0]
當(dāng)鍋爐容量為10~35 t/h
=[0.554 7,0.543 2,0.550 5,0.785 4,0.560 5,0.573 7]
當(dāng)鍋爐容量為35~65 t/h
B=W·[B1;B2;B3]=[0.37,0.39,0.24]
=[0.569 5,0.541 1,0.558 4,0.776 9,0.566 4,0.567 9]
從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來看:
當(dāng)鍋爐容量為<10 t/h,脫硝技術(shù),低氮燃燒法最為合適,其次為SNCR,接著是SCR、SCR/SNCR聯(lián)合技術(shù)和液體吸附法相當(dāng),最差的是低氮燃燒與SNCR組合技術(shù);
當(dāng)鍋爐容量為10~65 t/h,低氮燃燒法最為合適,其余技術(shù)表現(xiàn)相當(dāng)。
總體來看,低氮燃燒法是各工藝中綜合評(píng)價(jià)最高的,且評(píng)分高出其他技術(shù)很多,是中小型工業(yè)鍋爐各噸位最佳技術(shù)。液體吸附法隨著鍋爐噸位增大而逐漸顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。
建立了中小型鍋爐煙氣污染控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)體系,結(jié)合調(diào)研和文獻(xiàn)得出適合于脫硝工藝的各指標(biāo),通過層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,再用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估,得出結(jié)果是低氮燃燒法在經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì),但是脫硝率很低,在其不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)情況下,應(yīng)選擇SNCR或液體吸附法。
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